Характеристики розряду літій-іонного акумулятора

Ранні літій-іонні акумулятори вважалися крихкими та непридатними для високих навантажень. Це змінилося, і сьогодні літієві системи стоять пліч-о-пліч із надійними нікелевими та свинцевими системами. З'явилися два основні типи: енергетичний елемент (Energy Cell) та силовий елемент (Power Cell).

Продуктивність та структура

Продуктивність цих двох типів акумуляторів характеризується накопиченням енергії, також відомим як ємність, та подачею струму, також відомою як навантаження або потужність. Енергетичні та потужні характеристики визначаються розміром частинок на електродах. Більші частинки збільшують площу поверхні для максимальної ємності, а дрібний матеріал зменшує її для високої потужності.

Захист від глибокої розрядки

Захист АКБ від впливу глибокої розрядки та подовження терміну його експлуатації

Smart BatteryProtect 12/24V 65A Victron Energy

Автоматично відключає навантаження, коли напруга на акумуляторі падає нижче критичного рівня, що захищає АКБ від глибокого розряду. Передбачено підтримку Bluetooth

Купити

Smart BatteryProtect 12/24V 220A Victron Energy

 Розумний контролер навантаження, який підтримує інтеграцію з VE.Bus BMS, режим роботи з літієвими акумуляторами, а також має низьке енергоспоживання та захист від перенапруги.

Купити

BatteryProtect 12/24V 100A Victron Energy

Захищає як AGM / GEL, так і LiFePO₄ акумулятори від глибокого розряду, який може серйозно зменшити строк служби або повністю вивести АКБ з ладу.

Купити

Подивитися більше

Зменшення розміру частинок зменшує кількість електроліту, який заповнює порожнини. Об'єм електроліту всередині елемента визначає ємність акумулятора. Зменшення розміру частинок зменшує порожнини між частинками, тим самим знижуючи вміст електроліту. Занадто мала кількість електроліту знижує іонну рухливість і впливає на продуктивність. Уявіть собі фломастер, що висихає і потребує відновлення, щоб продовжувати робити позначки на папері.

Літій-іонний енергетичний елемент

Літій-іонний акумулятор розроблений для максимальної ємності та забезпечення тривалого часу роботи. Акумулятор Panasonic NCR18650B (Рисунок 1) має високу ємність, але менш довговічний при розряді 2C. При межі розряду 3,0 В/елемент, розряд 2C забезпечує лише близько 2,3 А·год замість зазначених 3,2 А·год. Цей акумулятор ідеально підходить для портативних комп'ютерів та подібних легких завдань.

Рисунок 1: Характеристики розряду енергетичного елемента NCR18650B від Panasonic 

Енергетичний елемент ємністю 3200 мАг розряджається при 0,2 °C, 0,5 °C, 1 °C та 2 °C. Коло на лінії 3,0 В/елемент позначає точку кінця розряду при 2 °C.

Втрати від низьких температур:

• 25°C (77°F) = 100%
• 0°C (32°F) = ~83%
• –10°C (14°F) = ~66%
• –20°C (4°F) = ~53%

Літій-іонний акумулятор

Елемент живлення Panasonic UR18650RX (рис. 2) має помірну ємність, але чудові навантажувальні можливості. Розряд 10 А (5 C) має мінімальні втрати ємності при напрузі відсічення 3,0 В. Цей елемент добре працює для застосувань, що потребують високого струму навантаження, таких як електроінструменти.

Рисунок 2: Характеристики розряду блоку живлення UR18650RX від Panasonic 

Акумулятор Power Cell ємністю 1950 мАг розряджається при 0,2°C, 0,5°C, 1°C та 2°C, а також при 10A. Усі вони досягають межі 3,0 В/елемент приблизно при 2000 мАг. Акумулятор Power Cell має помірну ємність, але забезпечує високий струм.

Втрати від низьких температур:

• 25°C (77°F) = 100%
• 0°C (32°F) = ~92%
• –10°C (14°F) = ~85%
• –20°C (4°F) = ~80%

Літій-іонний акумулятор дозволяє безперервний розряд 10°C. Це означає, що акумулятор 18650 ємністю 2000 мАг може забезпечити безперервне навантаження 20 А (30 А з літій-фосфатом). Чудова продуктивність досягається частково за рахунок зниження внутрішнього опору та оптимізації площі поверхні активних матеріалів елементів. Низький опір забезпечує високий струм з мінімальним підвищенням температури. Працюючи з максимально допустимим струмом розряду, літій-іонний акумулятор нагрівається приблизно до 50°C (122°F); температура обмежена 60°C (140°F).

Щоб задовольнити вимоги до навантаження, розробник акумулятора може або використовувати силовий елемент живлення (Power Cell) для виконання вимог щодо коефіцієнта розряду C, або ж обрати енергетичний елемент (Energy Cell) та збільшити його розмір. Енергетичний елемент має приблизно на 50 відсотків більшу ємність, ніж силовий елемент (Power Cell), але навантаження має бути зменшене. Цього можна досягти, збільшивши розмір акумулятора, метод, який використовується в електромобілях Tesla. Акумулятор досягає виняткового часу роботи, але стає дорогим і важким.

LiFePO4 елемент живлення

Літій-залізофосфат (LiFePO4) також доступний у форматі 18650, що пропонує високий термін служби та чудову продуктивність навантаження, але низьку питому енергію (ємність). У таблиці 3 порівнюються характеристики поширених літієвих архітектур. 

Таблиця 3: Максимізація ємності, терміну служби та навантаження за допомогою літієвих акумуляторних архітектур

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Довговічність та рекомендації

Одна з унікальних якостей нікель- та літієвих акумуляторів полягає в здатності безперервно забезпечувати високу потужність, доки акумулятор не розрядиться; це можливо завдяки швидкому електрохімічному відновленню. Свинцево-кислотні акумулятори працюють повільніше, і це можна порівняти з висихаючим фломастером, який створює короткі позначки на папері, а потім потребує відпочинку для поповнення запасів чорнил. Хоча відновлення відбувається відносно швидко при розряді, і це можна побачити при запуску двигуна, повільна хімічна реакція стає очевидною під час заряджання. З віком це лише погіршується.

Акумулятор може розряджатися при постійному навантаженні, скажімо, 0,2 C, як у ліхтарику, але багато застосувань вимагають короткочасного навантаження, що вдвічі або втричі перевищує номінальний струм заряду акумулятора (C). GSM (Глобальна система мобільного зв'язку) для мобільного телефону є таким прикладом (рисунок 4). GSM навантажує акумулятор струмом до 2 А з частотою імпульсів 577 мікросекунд (мкс). Це створює велике навантаження на невеликий акумулятор, однак, з високою частотою, акумулятор починає поводитися більше як великий конденсатор, і характеристики акумулятора змінюються.

Рисунок 4: Імпульси розряду GSM стільникового телефону
Імпульси тривалістю 577 мікросекунд, що виводяться з акумулятора, підлаштовуються під напруженість поля та можуть досягати 2 ампер.

Що стосується довговічності, акумулятор віддає перевагу помірному струму при постійному розряді, а не імпульсному або короткочасному високому навантаженні. На рисунку 5 показано зниження ємності нікель-металогідридного акумулятора за різних умов навантаження: від легкого розряду постійним струмом 0,2 C, аналогового розряду, до імпульсного розряду. Більшість акумуляторів, включаючи літій-іонні, дотримуються подібної схеми з точки зору умов навантаження.

Рисунок 5: Термін служби NiMH за різних умов навантаження
NiMH найкраще працює з навантаженнями постійного струму та аналоговими навантаженнями; цифрові навантаження зменшують термін служби. Літій-іонні акумулятори поводяться аналогічно.

На рисунку 6 показано кількість повних циклів, які може витримати літій-іонний акумулятор при розряді з різною швидкістю розряду C. При розряді 2 C акумулятор демонструє набагато більше навантаження, ніж при 1 C, обмежуючи кількість циклів приблизно 450, перш ніж ємність падає до половини рівня.

Рисунок 6: Термін служби літій-іонного енергетичного елемента при різних рівнях розряду
Знос усіх акумуляторів збільшується з вищими навантаженнями. Енергетичні елементи є більш надійними, ніж енергетичні елементи.